一种采空区二氧化碳调控实验系统与方法

技术领域

本发明涉及采空区二氧化碳调控系统技术领域，特别涉及一种采空区二氧化碳调控实验系统与方法。

背景技术

采空区煤自燃灾害是采空区风流场持续供氧、遗煤蓄热、热量积聚综合作用的结果，当煤氧化反应放出热量大于向周围环境散发的热量时，热量积聚使煤温上升，反之，则不能使煤温上升。当积聚的热量使煤温上升到临界温度并继续上升，最终则会导致煤体发生自燃。因此，煤自燃过程实质是煤氧化作用产热与环境散热这对矛盾运动发展的过程。

根据煤氧化自燃理论，采空区煤自燃必须同时具备三个条件：①具有自燃倾向性的煤或者矸石成破碎状堆积状态；②通风供氧，维持煤的氧化过程不断发展；③煤在氧化的过程中生成的大量的热难以散去。各种煤炭自燃的防治技术也主要着眼于以上三个方面，目前常用的煤层自燃防治技术主要有以下几类：惰化、堵漏、降温等以及他们几类的综合应用，共同发挥防灭火作用，最终实现防灭火的目的，常用的煤自燃防治技术主要包括灌浆、注气惰化、均压通风、注阻化材料等。

针对开放式采空区，由于不能完全掌握采空区惰化过程中煤岩体对二氧化碳的吸附及扩散运移规律，使得二氧化碳惰化技术在应急用的过程中存在惰化区域较窄、漏气现象严重、控制效果较差的问题。

发明内容

本发明提供了一种采空区二氧化碳调控实验系统与方法，通过建立基于预测先行与监测数据反馈校正相结合的开放式采空区二氧化碳安全智能调控模型，设计研制二氧化碳灌注安全性能指标自适应调控实验系统，实现灌注安全性能自动检测和灌注量自动控制。

本发明提供了一种采空区二氧化碳调控实验系统，包括：

采空区，内部铺设有煤样；

工作面，与采空区连接，工作面和采空区之间设有透气挡板；

惰化参数预测子系统，通过将采空区内煤样的二氧化碳吸附率、透气挡板的透气率以及二氧化碳的灌注速度通过fluent软件预测得到采空区内各部分的二氧化碳浓度作为参考值并预测二氧化碳运移规律；

二氧化碳灌注子系统，用于向采空区内灌注二氧化碳气体；

二氧化碳检测部，设置于采空区内，用于实时检测采空区内的二氧化碳实际浓度；

二氧化碳监测子系统，用于对二氧化碳实际浓度进行处理，并将处理结果传输至惰化参数预测子系统内与参考值进行比较；

总控计算机，用于输入采空区内煤样的二氧化碳吸附率、透气挡板的透气率以及二氧化碳的灌注速度并将数据传输给惰化参数预测子系统，也用于接收惰化参数预测子系统传回的数据。

可选的，二氧化碳检测部为多个二氧化碳传感器，多个二氧化碳传感器分别设置于采空区内的不同位置，多个二氧化碳传感器分别与二氧化碳监测子系统连接，以将采空区内不同位置处的二氧化碳实际浓度传输至二氧化碳监测子系统内。

可选的，二氧化碳灌注子系统通过进风巷向采空区内灌注二氧化碳气体。

可选的，还包括回风巷，回风巷与采空区连接，采空区内的气体能够从回风巷漏出，回风巷同时与工作面连通。

可选的，回风巷与色谱分析仪连接。

可选的，二氧化碳检测部与二氧化碳灌注子系统之间连接有流量阀。

本发明还提供了一种采空区二氧化碳调控方法，包括以下步骤：

S1：通过总控计算机输入采空区内煤样的二氧化碳吸附率、透气挡板的透气率以及二氧化碳的灌注速度；

S2：惰化参数预测子系统接收S1中的数据并通过fluent软件预测得到采空区内各部分的二氧化碳浓度作为参考值并预测二氧化碳运移规律；

S3：用二氧化碳灌注子系统对采空区灌注二氧化碳气体；

S4：用二氧化碳传感器实时监测采空区各部分二氧化碳浓度；

S5：二氧化碳监测子系统接收S4中的二氧化碳浓度并提取每个固定时间节点的二氧化碳浓度值；

S6：惰化参数预测子系统将经S5得到的数据与S2中的参考值进行对比，并将对比结果反馈至总控计算机以对二氧化碳灌注子系统进行灌注参数的调控。

与现有技术相比，本发明的有益效果在于：本发明通过惰化参数预测子系统建立基于预测先行与监测系统的数据向惰化参数预测子系统反馈，进行对比，并通过主机控制灌注系统进行校正相结合的开放式采空区二氧化碳安全智能调控模型，设计研制二氧化碳灌注安全性能指标自适应调控实验系统，研究灌注参数变化量对安全涌出量的作用规律，实现灌注安全性能自动检测和灌注量自动控制掌握。

附图说明

图1为本发明实施例提供的一种采空区二氧化碳调控实验系统的结构示意图；

图2为本发明实施例提供的一种采空区二氧化碳调控方法的流程示意图。

附图标记说明：

1-总控计算机，2-二氧化碳监测子系统，3-惰化参数预测子系统，4-二氧化碳灌注子系统，5-流量阀，6-回风巷，7-工作面，8-进风巷，9-采空区，10-二氧化碳传感器，11-色谱分析仪，12-透气挡板。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明的一个具体实施方式进行详细描述，但应当理解本发明的保护范围并不受具体实施方式的限制。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“轴向”、“径向”、“周向”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明的技术方案和简化描述，而不是指示或暗示所指的系统或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

如图1所示，本发明实施例提供的一种采空区二氧化碳调控实验系统，包括：总控计算机1、二氧化碳监测子系统2、惰化参数预测子系统3、二氧化碳灌注子系统4、二氧化碳检测部、工作面7和采空区9，采空区9内部铺设有煤样，工作面7与采空区9连接，工作面7和采空区9之间设有透气挡板12，惰化参数预测子系统3通过将采空区9内煤样的二氧化碳吸附率、透气挡板12的透气率以及二氧化碳的灌注速度通过fluent软件预测得到采空区9内各部分的二氧化碳浓度作为参考值并预测二氧化碳运移规律，二氧化碳灌注子系统4用于向采空区9内灌注二氧化碳气体，二氧化碳检测部设置于采空区9内，用于实时检测采空区9内的二氧化碳实际浓度，二氧化碳监测子系统2用于对二氧化碳实际浓度进行处理，并将处理结果传输至惰化参数预测子系统3内与参考值进行比较，总控计算机1用于输入采空区9内煤样的二氧化碳吸附率、透气挡板12的透气率以及二氧化碳的灌注速度并将数据传输给惰化参数预测子系统3，也用于接收惰化参数预测子系统3传回的数据，在本实施例中，二氧化碳监测子系统2进行处理指隔一段时间(比如五秒钟)将二氧化碳检测部检测到的各个部分的二氧化碳浓度放在一起，列出各个时间内采空区二氧化碳浓度表格，并将处理结果传输至惰化参数预测子系统3内与参考值进行比较。

本发明通过惰化参数预测子系统建立基于预测先行与监测系统的数据向惰化参数预测子系统反馈，进行对比，并通过主机控制灌注系统进行校正相结合的开放式采空区二氧化碳安全智能调控模型，设计研制二氧化碳灌注安全性能指标自适应调控实验系统，研究灌注参数变化量对安全涌出量的作用规律，实现灌注安全性能自动检测和灌注量自动控制掌握，掌握二氧化碳运移规律就能解决采空区二氧化碳惰化技术使用过程中的惰化区域窄、漏气现象严重、控制效果差的问题。

可选的，二氧化碳检测部为多个二氧化碳传感器10，多个二氧化碳传感器10分别设置于采空区9内的不同位置，多个二氧化碳传感器10分别与二氧化碳监测子系统2连接，以将采空区9内不同位置处的二氧化碳实际浓度传输至二氧化碳监测子系统2内。

可选的，二氧化碳灌注子系统4通过进风巷8向采空区9内灌注二氧化碳气体。

在本实施例中，一种采空区二氧化碳调控实验系统还包括回风巷6，回风巷6与采空区9连接，采空区9内的气体能够从回风巷6漏出，回风巷6同时与工作面7连通，二氧化碳气体从进风巷8的管道灌注进去，由于采空区9和工作面7的透气挡板12是透气的，所以会造成气体流动导致采空区9内气体浓度变化，采空区9的气体可以从隔板12漏出来，这也是采空9气体发生流动的原因。

高浓度二氧化碳涌入工作面易造成工作人员中毒窒息，产生二次灾害，严重制约了惰化技术的发展，因此在本事实例中，回风巷6与色谱分析仪11连接，气体会从回风巷6流出，此时在回风巷6口连接的色谱分析仪11会检测到涌出气体的二氧化碳含量，由于回风巷6与工作面7连通，即得到工作面7安全涌出量，我们将它确定在某个值上就认为他是安全的，从而研究灌注参数变化量对安全涌出量的作用规律。

可选的，二氧化碳检测部与二氧化碳灌注子系统4之间连接有流量阀5，流量阀5用于控制加大或者减小二氧化碳的灌注速度，通过总控计算机1随时控制流量阀5以控制灌入量的大小。

本发明还提供了一种采空区二氧化碳调控方法，包括以下步骤：

S1：通过总控计算机1输入采空区9内煤样的二氧化碳吸附率、透气挡板12的透气率以及二氧化碳的灌注速度；

S2：惰化参数预测子系统3接收S1中的数据并通过fluent软件预测得到采空区9内各部分的二氧化碳浓度作为参考值并预测二氧化碳运移规律；

S3：用二氧化碳灌注子系统4对采空区9灌注二氧化碳气体；

S4：用二氧化碳传感器10实时监测采空区9各部分二氧化碳浓度；

S5：二氧化碳监测子系统2接收S4中的二氧化碳浓度并提取每个固定时间节点的二氧化碳浓度值；

S6：惰化参数预测子系统3将经S5得到的数据与S2中的参考值进行对比，并将对比结果反馈至总控计算机1以对二氧化碳灌注子系统4进行灌注参数的调控。

本发明通过总控计算机1输入采空区9内煤样的二氧化碳吸附率、透气挡板12的透气率以及二氧化碳的灌注速度，控制惰化参数预测子系统3预测采空区9内的二氧化碳的各部分浓度和运移规律，接下来通过二氧化碳灌注子系统4从进风巷8向采空区9内灌注二氧化碳，安装在采空区9内部的二氧化碳传感器实时检测采空区9内部的二氧化碳浓度，而后将所测数据通过二氧化碳监测子系统进行处理，处理结果上传至惰化参数预测子系统3中与开始的预测值进行对比，若符合初始预测则继续以此参数灌注二氧化碳，若不符合预测值(浓度过高)，则通过总控计算机1控制二氧化碳灌注子系统4减小二氧化碳灌注量，自动调整，实现二氧化碳的自适应控制。

以上公开的仅为本发明的几个具体实施例，但是，本发明实施例并非局限于此，任何本领域的技术人员能思之的变化都应落入本发明的保护范围。